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Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung, ein System und ein Verfahren zur Steuerung eines Kommunikationsbusses und betrifft insbesondere eine Vorrichtung, ein Verfahren und ein System zur Integration eines weiteren aktiven Teilnehmers in ein Bussystem mit einem vorhandenen aktiven Teilnehmer.
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In der Datenverarbeitung ist ein Kommunikationsbus oder ein Bus ein System zur Datenübertragung zwischen mehreren Teilnehmern über ein gemeinsames Übertragungsmedium. Teilnehmer können entweder selbstständig auf den Bus schreibend oder sendend zugreifen (aktive Teilnehmer/Master) oder gesteuert durch aktive Teilnehmer auf den Bus zugreifen (passive Teilnehmer/Slaves).
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Im Stand der Technik sind Bussysteme mit einem aktiven Teilnehmer bekannt, der die Buskommunikation mit einem oder mehreren passiven Teilnehmern steuert. Hierbei sendet der aktive Teilnehmer Nachrichten an passive Teilnehmer. Letztere reagieren ausschließlich auf die Nachrichten des aktiven Teilnehmers und senden gegebenenfalls Nachrichten zurück an den aktiven Teilnehmer. Dadurch, dass der aktive Teilnehmer die Kommunikation kontrolliert, kann er Kollisionen der Nachrichten vermeiden.
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Im Stand der Technik sind ferner Multimaster-Busse bekannt. Das sind Bussysteme mit mehreren aktiven Teilnehmern, die entweder gleichrangig oder hierarchisch gegliedert auf einen Bus zugreifen können. Bei einem Multimaster-Bus ist eine zentrale oder dezentrale Busvermittlung erforderlich, die sicherstellt, dass zu jedem Zeitpunkt jeweils nur ein aktiver Teilnehmer auf das gemeinsam genutzte Medium zugreift, da durch das gleichzeitige Senden von Daten durch zwei aktive Teilnehmer Datenverlust auftreten kann oder gar Vorrichtungen durch Überspannung geschädigt werden können. Bei einer dezentralen Busvermittlung überwachen die aktiven Teilnehmer den Zustand des gemeinsamen Mediums vor dem Zugriff und greifen ausschließlich dann auf das Medium zu, wenn dieses zu diesem Zeitpunkt unbenutzt ist (z. B. im CSMA/CD-Verfahren oder im CSMA/CA-Verfahren). Beispiele für dezentral vermittelten Multimaster-Bussysteme sind der Ethernet-Bus nach der IEEE-Norm 802.3 oder CAN-Bus (Controller Area Network Bus) nach der ISO-Norm 11898-2 oder 11898-3. Bei einer zentralen Busvermittlung wird der Buszugriff durch eine spezielle Vorrichtung, den Bus-Arbiter gesteuert. In diesem Fall kommunizieren die aktiven Teilnehmer mit dem Bus-Arbiter, wenn diese auf das gemeinsame Medium zugreifen wollen. Der Bus-Arbiter entscheidet dann, welcher aktive Teilnehmer auf das gemeinsame Medium zugreifen kann.
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So offenbart beispielsweise die Druckschrift
DE 198 15 097 A1 ein grundsätzlich nichtredundant ausgebildetes Bussystem. Jeweils ein Busmaster aus einer Gruppe redundanter Busmaster wird über eine Umschalteinheit betrieben, wobei die Besonderheit der Umschalteinheit darin besteht, dass diese selbst am umzuschaltenden Bus betrieben wird und folglich keine Sondersignale zum Umschalten der Busmaster erforderlich macht. Damit offenbart diese Druckschrift einen Teilnehmerumschalter, der mit einem ersten aktiven Busteilnehmer verbindbar ist, der mit mindestens einem zweiten aktiven Busteilnehmer verbindbar ist, und der über einen Bus mit mindestens einem passiven Busteilnehmer verbindbar ist, wobei der Teilnehmerumschalter eingerichtet ist, wahlweise entweder den ersten aktiven Busteilnehmer oder den zweiten aktiven Busteilnehmer über den Bus mit dem mindestens einen passiven Busteilnehmer zu verbinden. Die Druckschriften
US 2005/0232145 A1 ,
US 2008/0123522 A1 offenbaren ähnliche Systeme.
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Die Druckschrift
DE 199 04 543 A1 offenbart ein redundeantes Master-Bussystem, dass über einen Buskoppler mit zwei Slave-Anschaltungen und einer Master-Anschaltung mit einem nicht-redundtanten Slave-Bussystem verbunden ist.
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Die Druckschrift
EP 2 466 405 A1 wiederum offenbart ein Steuerungssystem für eine industrielle Einrichtung mit einer ersten und einer zweiten Zentraleinheit, eine Anzahl von einen an einen Feldbus angeschlossenen dezentralen Peripherieeinheiten und eine Umschalteinrichtung, die als Sternpunkt zwischen der ersten Zentraleinheit, der zweiten Zentraleinheit und dem Feldbus angeordnet ist. Mittels der Umschalteinrichtung ist alternativ eine der beiden Zentraleinheiten signaltechnisch mit dem Feldbus verbindbar und die jeweils andere Zentraleinheit signaltechnisch vom Feldbus abgekoppelt. Die Druckschrift offenbart somit einen Teilnehmerumschalter, der mit einem ersten aktiven Busteilnehmer verbindbar ist, der mit mindestens einem zweiten aktiven Busteilnehmer verbindbar ist, und der über einen Bus mit mindestens einem passiven Busteilnehmer verbindbar ist, wobei der Teilnehmerumschalter eingerichtet ist, wahlweise entweder den ersten aktiven Busteilnehmer oder den zweiten aktiven Busteilnehmer über den Bus mit dem mindestens einen passiven Busteilnehmer zu verbinden.
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Der Stand der Technik weist den Nachteil auf, dass in einem Bussystem, in dem nur ein aktiver Teilnehmer vorgesehen ist, ein Einfügen eines weiteren aktiven Teilnehmers nicht möglich ist, ohne den bereits vorhandenen aktiven Teilnehmer und ggf. die passiven Teilnehmer entweder auszutauschen oder an eine Busvermittlung anzupassen. Denn der einzige aktive Teilnehmer ist oft nicht an eine Busvermittlung angepasst und kann im Rahmen einer dezentralen Busvermittlung vor dem Senden den Bus nicht auf Datentransfer überwachen oder im Rahmen einer zentralen Busvermittlung mit einem Bus-Arbiter interagieren. Alternativ können die passiven Teilnehmer beispielsweise darauf eingerichtet sein, nur mit einem aktiven Teilnehmer zu interagieren oder nicht zwischen unterschiedlichen aktiven Teilnehmern zu unterscheiden. Das führt insbesondere dann zu einer Absenkung der Übertragungsrate, wenn Busumsetzer den aktiven oder passiven Teilnehmern vorgeschaltet werden müssen, damit das System ein multimasterfähiges Busprotokoll unterstützt.
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Es ist daher die Aufgabe der Erfindung, einzelne oder mehrere aus dem Stand der Technik bekannten Nachteile zu beseitigen, und insbesondere eine Vorrichtung, ein System und ein Verfahren bereitzustellen, um ein Bussystem, an dem nur ein aktiver Teilnehmer vorgesehen ist, so zu erweitern, dass die vorhandenen aktiven und passiven Teilnehmer unverändert oder standardkonform weiterverwendet werden können.
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Die Aufgabe wird durch den Gegenstand der nebengeordneten Ansprüche gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen sind Gegenstände der Unteransprüche.
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Offenbart wird eine Buszuschaltvorrichtung, die aufweist: einen Teilnehmerumschalter, der mit einem ersten aktiven Busteilnehmer verbindbar ist, der mit mindestens einem zweiten aktiven Busteilnehmer verbindbar ist und der über einen Bus mit mindestens einem passiven Busteilnehmer verbindbar ist, wobei der Teilnehmerumschalter eingerichtet ist, wahlweise entweder den ersten aktiven Busteilnehmer oder den zweiten aktiven Busteilnehmer über den Bus mit dem mindestens einen passiven Busteilnehmer zu verbinden, und eine Teilnehmerumschaltersteuerung, die eingerichtet ist, den Teilnehmerumschalter so zu steuern, dass derjenige aus erstem und zweiten aktiven Busteilnehmer über den Bus mit dem mindestens einem passiven Busteilnehmer verbunden wird, der mit dem mindestens einem passiven Busteilnehmer kommunizieren soll.
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Durch diese Buszuschaltvorrichtung ist es möglich, einen weiteren aktiven Busteilnehmer am Bus zu betreiben, ohne Änderungen am ersten aktiven Busteilnehmer oder den mindestens einem passiven Busteilnehmern vorzunehmen.
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Wird die Teilnehmerumschaltersteuerung so mit dem zweiten aktiven Busteilnehmer verbunden, dass der zweite aktive Busteilnehmer der Teilnehmerumschaltersteuerung einen Verbindungswunsch mit dem mindestens einem passiven Teilnehmer signalisieren kann, und ist die Teilnehmerumschaltersteuerung eingerichtet, den Teilnehmerumschalter so zu steuern, dass der erste aktive Busteilnehmer über den Bus mit dem mindestens einem passiven Busteilnehmer verbunden ist, und bei Empfang des Verbindungswunsches den Teilnehmerumschalter so zu steuern, dass der zweite aktive Busteilnehmer über den Bus mit dem mindestens einem passiven Busteilnehmer verbunden ist, kann ein entsprechend angepasster zweiter Busteilnehmer kurzfristig und kurzzeitig eine Verbindung mit dem mindestens einem passiven Busteilnehmer aufbauen, wobei ansonsten üblicherweise der unveränderte erste aktive Busteilnehmer mit dem mindestens einem passiven Busteilnehmer verbunden bleibt, der ggf. eine durchgängige Verbindung mit dem mindestens einem passiven Busteilnehmer erwartet.
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Ist die Teilnehmerumschaltersteuerung so eingerichtet, dass der zweite aktive Busteilnehmer erst dann mit dem mindestens einem passiven Busteilnehmer verbunden wird, wenn der erste aktive Busteilnehmer einen derzeit ablaufenden Kommunikationsvorgang mit dem mindestens einem passiven Busteilnehmer beendet hat, oder dass der erste aktive Busteilnehmer erst dann mit dem mindestens einem passiven Busteilnehmer verbunden wird, wenn der zweite aktive Busteilnehmer einen derzeit ablaufenden Kommunikationsvorgang mit dem mindestens einem passiven Busteilnehmer beendet hat, können Kommunikationsabbrüche vermieden werden. Dies ist besonders vorteilhaft bei Anforderungen durch den zweiten aktiven Busteilnehmer, damit die Kommunikation des ersten aktiven Teilnehmers, der keine Unterbrechungen erwartet, unbeeinflusst bleibt.
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Ist die Teilnehmerumschaltersteuerung so eingerichtet, dass der zweite aktive Busteilnehmer sofort mit dem mindestens einem passiven Busteilnehmer verbunden wird, auch wenn der erste aktive Busteilnehmer einen derzeit ablaufenden Kommunikationsvorgang mit dem mindestens einem passiven Busteilnehmer hat, oder dass der erste aktive Busteilnehmer sofort mit dem mindestens einem passiven Busteilnehmer verbunden wird, auch wenn der zweite aktive Busteilnehmer einen derzeit ablaufenden Kommunikationsvorgang mit dem mindestens einem passiven Busteilnehmer beendet hat, kann der jeweilige neu zu verbindende aktive Busteilnehmer ungestört kommunizieren. Dies ist besonders dann vorteilhaft, wenn der zweite aktive Busteilnehmer derzeit in einem Kommunikationsvorgang ist und der erste aktive Busteilnehmer, der nicht darauf eingerichtet ist, das Kommunikationsmedium mit anderen aktiven Busteilnehmern zuteilen, zu priorisieren ist. Eine vorteilhafte Ausgestaltung könnte daher auch in einer Kombination bestehen, bei der Kommunikationsvorgänge des ersten aktiven Busteilnehmers abgewartet werden und Kommunikationsvorgänge des zweiten aktiven Busteilnehmers sofort unterbrochen werden, wenn ein Kommunikationsvorgang des jeweils anderen ansteht.
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Ist die Teilnehmerumschaltersteuerung so mit dem zweiten aktiven Busteilnehmer verbunden, dass die Teilnehmerumschaltersteuerung dem zweiten aktiven Busteilnehmer signalisieren kann, dass der zweite aktive Busteilnehmer mit dem mindestens einem passiven Busteilnehmer verbunden ist, kann der zweite aktive Busteilnehmer gezielt in einem kurzen Zeitfenster eine Verbindung mit dem mindestens einem passiven Busteilnehmer aufbauen.
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Weitere Vorteile und vorteilhafte Ausgestaltung des Gegenstands der Erfindung sind der Beschreibung, den Zeichnungen und den Ansprüchen entnehmbar. Ebenso können die vorstehend genannten und die noch weiteren aufgeführten Merkmale erfindungsgemäß jeweils einzeln oder für sich oder jeweils in beliebiger Kombination verwendet werden.
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Im Folgenden werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Figuren beschrieben.
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1 zeigt ein erfindungsgemäßes Bussystem.
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In 1 ist in einem Ausführungsbeispiel ein erfindungsgemäßes Bussystem dargestellt. Im Ausführungsbeispiel handelt es sich bei dem Bussystem um eine PHY-Management-Schnittstelle der MII-Schnittstelle (Media Independent Interface) nach IEEE 802.3. Die Erfindung ist aber auch in anderen Bussystemen einsetzbar.
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Bei der PHY-Management-Schnittstelle nach IEEE 802.3 (siehe IEEE 802.3, Abschnitt 2) handelt es sich um eine Schnittstelle zum Lesen und Schreiben von Steuerregistern von Ethernet-Bitübertragungsschicht-Schaltungen (PHY/Physical Layer Device). Die Steuerregister werden dazu verwendet, jede Ethernet-Bitübertragungsschicht-Schaltung vor dem Betrieb zu konfigurieren und während des Betriebs zu überwachen. Die Ethernet-Bitübertragungsschicht-Schaltungen stellen hierbei passive Bus-Teilnehmer dar.
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Mit der herkömmlichen standardisierten PHY-Management Schnittstelle ist es nur möglich, einen aktiven Busteilnehmer zu betreiben. Der aktive Busteilnehmer ist so konfiguriert, dass keine weiteren aktiven Busteilnehmer vorgesehen sind. So fehlen beispielsweise Mechanismen zur Busvermittlung und es wird u. U. von einer permanenten Erreichbarkeit der passiven Busteilnehmer ausgegangen.
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1 zeigt einen Teilnehmerumschalter 1 eines erfindungsgemäßen Bussystems. Dieser ist über einen ersten Signalpfad 2 mit einem ersten aktiven Busteilnehmer 3 verbunden. Der erste Signalpfad 2 besteht aus dem Signal MDC (Management Data Clock) und MDIO (Management Data Input Output). Das Signal MDC wird von einem aktiven Busteilnehmer angelegt, um ein Zeit-Synchronisationssignal für die über MDIO ablaufende Datenübertragung bereitzustellen. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel ist der erste aktive Busteilnehmer 1 eine standardkonforme Stationsmanagementeinheit (STA/Station Management Entity), die nicht auf einen Multimaster-Betrieb ausgelegt ist und daher weder an eine zentrale oder dezentrale Busvermittlung angepasst ist, noch auf eine Verbindungsunterbrechung zu passiven Busteilnehmern eingerichtet ist.
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Der Teilnehmerumschalter 1 ist ferner über einen zweiten Signalpfad 4 mit einem zweiten aktiven Busteilnehmer 5 verbunden. Der zweite Signalpfad 4 besteht wie der erste Signalpfad 2 aus dem Signal MDC (Management Data Clock) und MDIO (Management Data Input Output). Im vorliegenden Ausführungsbeispiel ist der zweite aktive Busteilnehmer 5 eine an das erfindungsgemäße Bussystem angepasste Stationsmanagementeinheit.
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Der Teilnehmerumschalter 1 ist ferner über einen dritten Signalpfad 6 mit einem oder mehreren passiven Busteilnehmern 7 verbunden. Der dritte Signalpfad 6 besteht wie der erste Signalpfad 2 aus dem Signal MDC (Management Data Clock) und MDIO (Management Data Input Output). Die passiven Busteilnehmer 7 sind standardkonforme nicht an das erfindungsgemäße Bussystem angepasste Ethernet-Bitübertragungsschicht-Schaltungen (PHY/Physical Layer Devices).
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Der Teilnehmerumschalter 1 kann so umgeschaltet werden, dass er entweder eine erste Verbindung zwischen dem ersten aktiven Busteilnehmer 3 und den passiven Busteilnehmern 7 herstellt, oder eine zweite Verbindung zwischen dem zweiten aktiven Busteilnehmer 5 und den passiven Busteilnehmern 7 herstellt.
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Das erfindungsgemäße Bussystem aus 1 umfasst ferner eine Teilnehmerumschaltersteuerung 8. Diese ist mit dem Teilnehmerumschalter 1 über einen Steuersignalpfad 9 verbunden. Über diesen Signalpfad 9 kann die Teilnehmerumschaltersteuerung 8 den Teilnehmerumschalter 1 so steuern, dass der Teilnehmerschalter 2 zwischen der ersten und der zweiten Verbindung umschaltet und so wahlweise den ersten aktiven Busteilnehmer 3 über den ersten Signalpfad 2 und den dritten Signalpfad 6 mit den passiven Busteilnehmern 7 verbindet oder den zweiten aktiven Busteilnehmer 5 über den zweiten Signalpfad 4 und den dritten Signalpfad 6 mit den passiven Busteilnehmern 7 verbindet. Die Teilnehmerumschaltersteuerung 8 ist ferner mit dem ersten Signalpfad 2 und dem zweiten Signalpfad 4 verbunden. Über den zweiten Signalpfad 4 kann der zweite aktive Busteilnehmer 5 der Teilnehmerumschaltersteuerung 8 einen Verbindungswunsch zu einem passiven Busteilnehmer signalisieren. Über einen Signalisierungssignalpfad 10 ist die Teilnehmerumschaltersteuerung 8 mit dem zweiten aktiven Busteilnehmer 5 verbunden. Über den Signalisierungssignalpfad 10 kann die Teilnehmerumschaltersteuerung 8 dem zweiten aktiven Busteilnehmer 5 mitteilen, ob dieser mit den passiven Busteilnehmern verbunden ist oder nicht.
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Im Folgenden wird der Betrieb des erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiels aus 1 beschrieben.
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Da der erste aktive Busteilnehmer 3 nicht auf einen Multimasterbetrieb ausgelegt ist und erwartet, der einzige aktive Busteilnehmer zu sein, ist der Teilnehmerumschalter 1 üblicherweise so geschaltet, dass der erste aktive Busteilnehmer 3 mit den passiven Busteilnehmern 7 verbunden ist. Soll nun der nicht verbundene zweite aktive Busteilnehmer 5 eine Verbindung mit den passiven Busteilnehmern aufbauen, signalisiert der zweite aktive Busteilnehmer 5 dies der Teilnehmerumschaltersteuerung 8. Dies geschieht im Ausführungsbeispiel dadurch, dass der zweite aktive Busteilnehmer 5 auf dem Signal MDC einen Ausgangstakt ausgibt, und auf dem Signal MDIO durchgängig eine logische Null ausgibt. Der zweite aktive Busteilnehmer bleibt hierdurch in der durch IEEE 802.3 vorgegebenen Spezifikation, da auch ohne den Teilnehmerumschalter angeschlossene passive Busteilnehmer nicht vorzeitig durch dieses Signal aktiv werden würden. Sie würden dieses Signal ignorieren, da sie erst mach der Präambel (MDC Takt liegt an, MDIO führt logische eins) aktiv werden. Die Teilnehmerumschaltersteuerung 8 kann die Signalisierung auf dem Signal MDC des anfordernden zweiten aktiven Busteilnehmers 5 erkennen, dessen Verbindungsaufbauwunsch berücksichtigen und ein Umschalten des Teilnehmerumschalters 1 einleiten. Ist die Umschaltung auf die zweite Verbindung erfolgt, signalisiert die Teilnehmerumschaltersteuerung 8 dem zweiten aktiven Busteilnehmer 5 über den Signalisierungssignalpfad 10 den Verbindungszustand, sodass der zweite aktive Busteilnehmer bei Empfang des Signals mit der Datenübertragung beginnen kann. Dies beschleunigt den Kommunikationsvorgang durch den zweiten aktiven Busteilnehmer 5, ist aber nicht erforderlich. Denn alternativ kann der zweite aktive Busteilnehmer 5 nach einer voreingestellten Zeitdauer mit dem Kommunikationsvorgang beginnen.
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Damit sich die Signalisierung des ersten aktiven Busteilnehmers 3 und des zweiten aktiven Busteilnehmers 5 nicht überlagern und stören, ist es erforderlich, dass der zweite aktive Busteilnehmer 5 die Signalübertragung rechtzeitig beendet, wenn der erste aktive Busteilnehmer seine Signalübertragung beginnen will. Wenn der erste aktive Busteilnehmer 3 standardkonform mit IEEE 802.3 nicht dauerhaft ein Zeittakt-Signal über das Signal MDC überträgt, sondern auf den Signalen MDC und MDIO erst dann ein Signal anlegt, wenn er zu kommunizieren beabsichtig, ist es möglich, dieses Signal so zu wählen, dass der erste aktive Busteilnehmer 3 vor der eigentlichen Nutzdatenübertragung einen oder mehrere Taktzyklen lang lediglich das Zeittakt-Signal MDC überträgt. Dadurch kann die Teilnehmerumschaltersteuerung 8 erkennen, dass der erste aktive Busteilnehmer 3 in Kürze mit den passiven Busteilnehmern kommunizieren wird. Die Teilnehmerumschaltersteuerung 8 kann dann den Teilnehmerumschalter 1 rechtzeitig schalten, so dass der erste aktive Busteilnehmer 3 mit den passiven Busteilnehmern 7 verbunden ist, sobald die eigentliche Signalübertragung beginnt. Der zweite aktive Busteilnehmer 5 kann dabei unterbrochen werden, und muss, falls erforderlich, seine Signalübertragung später erneut versuchen, wenn der erste aktive Busteilnehmer seine Kommunikation beendet hat. Bevorzugt überträgt der erste aktive Busteilnehmer 3 so viele Taktzyklen lang das Zeittakt-Signal vor der eigentlichen Signalübertragung, dass der zweite aktive Busteilnehmer 5 seinen derzeit laufenden Kommunikationsvorgang protokollgemäß abschließen kann. Im Ausführungsbeispiel beträgt die Dauer eines Kommunikationsvorgangs durch den zweiten aktiven Busteilnehmer 64 Taktzyklen (32 Taktzyklen Präambel und 32 Taktzyklen Nutzdaten), so dass bevorzugt ein mindestens 64 Taktzyklen langes Zeittakt-Signal des ersten aktiven Busteilnehmers 3 eingestellt ist.
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Eine Umsetzung des erfindungsgemäßen Systems des Ausführungsbeispiels kann mittels FPGA-Technologie oder eines ASICs erfolgen. Hierzu könnten sich die aktiven Busteilnehmer innerhalb des FPGA-/ASIC-Designs befinden oder auch außerhalb des FPGA-/ASICs. Die passiven Busteilnehmer sind externe ASICs. Die Steuerung kann mittels eines Automaten realisiert werden. Der erste, zweite und dritte Signalpfad bestehen aus den Signalen MDC und MDIO. Bei chipinternen Signalen ist das Signal MDIO durch die drei Signale MDIO_in (Eingang), MDIO_out (Ausgang) und für gewöhnlich MDIO_oe (ein Ausgangsfreigabesignal für den tri-state Ausgangstreiber) ausgeführt.
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Weitere Abwandlung der Erfindung innerhalb des Umfangs der Patentansprüche ist möglich.
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Die Junktoren ... „und”, „oder” und „entweder ... oder” werden in der Bedeutung verwendet, die an die logische Konjunktion, die logische Adjunktion (oft „und/oder”), bzw. die logische Kontravalenz angelehnt sind.
